磁光材料简介

1、磁光材料的研究现状1. 综述磁光材料是具有磁光效应的材料，磁光效应包括法拉第效应、磁光克尔效应、塞曼效应和磁致线双折射效应（科顿-穆顿效应和瓦格特效应）等。磁光材料需要同时具备一定的光学特性和磁学特性。1.1法拉第效应法拉第效应指偏振光通过磁场下的介质后，偏振面因磁场作用而发生偏转。 f=VBd其中f是沿着光线传播方向看去偏振面的旋转角，叫做法拉第转角；V是Verdet常数，与材料性质有关；B是磁感应强度在光线传播方向上的投影；d是光在介质中传播的距离。当磁感应强度投影B与光线传播方向同向时，偏振面右旋，f<0；反之，偏振面左旋，f>0。与普通旋光效应不同的是，光线通过介质后再反射

2、，原路返回再次通过介质，偏振面会在原来的基础上再旋转f角，而不是恢复原状。这为利用法拉第效应的磁致旋光材料提供了一种新的应用空间，如磁光调制器、磁光隔离器等。目前，对法拉第效应磁光材料的研究相对透彻，应用也相对广泛。以钇铁石榴石（Y3Fe5O12，简称YIG）为代表的稀土铁石榴石（Re3Fe5O12）材料是常见的法拉第效应磁光材料1。1.2磁光克尔效应磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转，偏转角度称为磁光克尔转角k。根据磁场强度方向的不同，磁光克尔效应分为三种：极向克尔效应：磁场方向垂直于介质表面，通常，k随入射角的减小而增大；横向克尔效应：磁场方向平行与介

3、质表面且垂直于入射面，光线的偏振方向不会发生变化，p偏振光入射时会发生微小的反射率变化；纵向克尔效应：磁场方向平行与介质表面且平行于入射面，k随入射角的减小而减小，纵向克尔效应的强度比极向克尔效应小几个数量级，不易观察。应用最广的是极向克尔效应，可用来进行磁光存储和观察磁体表面或磁性薄膜的磁畴分布。1.3塞曼效应塞曼效应指光源位于强磁场中时，分析其发光的谱线，发现原来的一条谱线分裂成三条或更多条。原子位于强磁场中时，破坏自旋-轨道耦合，一个能级分裂成多个能级，而且新能级间有一定的间隔，能级的分裂导致了谱线的分裂。能级分裂的方式与角量子数J和朗德因子g有关。塞曼效应证明了原子具有磁矩，而且磁矩的

4、空间取向量子化。塞曼效应可应用于测定角量子数和朗德因子，还可分析物质的元素组成。1.4磁致线双折射效应磁致线双折射效应指透明介质处于磁场中时，表现出单轴晶体的性质，光线入射能产生两条折射线。在铁磁和亚铁磁体中的磁致线双折射效应称作科顿-穆顿效应，反铁磁体中的磁致线双折射效应称作瓦格特效应2.磁致线双折射效应可用于测量物质能级结构，研究单原子层磁性的微弱变化等2. 研究现状本章将介绍多种磁光材料的前沿应用和理论研究，并结合本人所学知识给出相应的评价和启发。个人评价用加粗字体给出。2.1利用法拉第效应进行焊接检测3根据法拉第效应，偏振光通过磁场中的介质后，偏振面转过一定角度，通过偏振角一定的偏振片

5、后，就会表现为不同的亮度。工作时，将光源、起偏器、反射镜、直流电磁铁、光反射面、磁光薄膜、检偏器、CMOS成像装置和焊件按图1组装。图 1 焊接缺陷磁光成像原理图其中磁光薄膜应具有以下特性：透光性好，色散强，具有顺磁性，磁化率较大。这样能在磁光薄膜处准确地反应焊件的磁化状态，并获得较高的Verdet常数和较大的法拉第转角。若被检测处没有缺陷，焊件连为一体，与直流电磁铁组成完整磁路，由于焊件较薄，焊件的磁化方向是由N极指向S极，与焊件表面水平，这样磁光薄膜中，在光线方向上磁场的投影为0，透过检偏器后成像时光强度是均匀的，I0=Icos2；若被检测处有缺陷，则焊件在缺陷两侧分为两个独立部分，无法连

6、成完整磁路，这样就出现了不均匀的磁化，即N极、S极附近的焊件被垂直磁化，不闭合的焊缝处存在水平磁场，同样的磁场分布体现在磁光薄膜中，N极上的焊件反射光偏振面转过角（实际在入射和反射过程中都发生了法拉第效应，若薄膜厚度为d，应有=2VBd），S极上的焊件反射光偏振面转过-角，缺陷处不发生偏振面转动。透过检偏器后，将得到不同的光强：I1=Icos2(-)I2=Icos2(+)I0=Icos2控制>，则有I1>I0>I2，成像后得到明暗不等的区域，如图2图 2 焊件磁光成像可见，磁光成像技术可明显显示焊件中的微小缺陷，系统容易接入自动化控制，可在焊接同时进行检测，大大提高了作业效率

7、。同理，磁光成像技术还可用于其他金属件的无损探伤。与其他无损探伤方式4相比，磁光成像具有易读、明显和数字化的特点，在无损探伤领域由广泛的应用前景。2.2磁光隔离器磁光隔离器是保证光单向传播的器件1，一般用来保护激光光源，防止其激发受到反射光的干扰，对光纤通信和激光技术由重要意义。磁光隔离器由一个45°法拉第旋光器和一对Glan-Thompson棱镜5组成，并按照图3的方式组装。图 3 磁光隔离器示意图设置起偏器角度以使偏振光能完全透过第一个Glan-Thompson棱镜。之后偏振光透过法拉第旋光器，偏振角增大45°，由于Glan-Thompson棱镜的组装方式为相互错开45

8、°，通过法拉第旋光器的偏振光刚好能透过第二个Glan-Thompson棱镜，反射光也如此。之后反射光也通过法拉第旋光器，由于法拉第效应的特性，偏振面会向相同方向再转45°，得到与入射光偏振面夹角为90°的偏振光，这样的偏振光不能通过第一个Glan-Thompson棱镜，因而防止反射光干扰光源的激发。磁光隔离器应注重改良磁光材料的光学性能，减少透过旋光器时的强度损耗。为了实现设备的小型化，材料应有较大的Verdet常数，以在介质长度较小的条件下实现45°法拉第转角。目前已发现掺Bi稀土石榴石有较强的法拉第效应1，日本实现了Bi3Fe5O12单晶的制取6，V

9、erdet常数非常高，可在薄膜尺度实现45°法拉第转角，为集成磁光隔离器的制造提供了条件。2.3基于磁光克尔效应的磁畴成像磁光克尔效应指线偏振光在磁化的介质表面反射后，在磁场作用下偏振面发生偏转的现象。根据磁场方向不同分为极向、横向和纵向克尔效应，常用的是效果较为明显的极向克尔效应和纵向克尔效应。偏振光在磁性材料表面反射时，由于入射角和磁场强度和方向的差别，偏振角会产生不同的变化，经过偏振片后成像体现为不同的亮度。铁磁体中原子磁矩自发磁化排列成多个磁畴，每个磁畴都有特定的磁化方向，用偏振光照射材料表面，就会发生不同程度的磁光克尔效应，处理后就能观察到不同亮度的磁畴。磁光克尔成像系统主

10、要有两种7，如图4图 4磁光克尔成像系统示意图(a)具有较宽视场，适合观测大块磁畴；(b)具有显微光路，能在高分辨率下观察磁畴的显微结构。根据样品的实际情况选择适当的成像系统，可以方便而准确地观察到理想的磁畴结构。2.4电光-磁光互补电传感器电光效应指各向同性材料置于电场中时变为各向异性，其光学性质随之改变，产生线性双折射；磁光效应在这里指法拉第效应。某些晶体同时具有电光效应和磁光效应，如闪烁锗酸铋（Bi4Ge3O12）、闪烁硅酸铋（Bi4Si3O12）、锗酸铋（Bi12GeO20）、硅酸铋（Bi12SiO20）和石英（SiO2）等8。将螺线管通电流，就产生了与电流成正比的磁场；在极板两极加电

11、压，就产生了与电压成正比的电场。将螺线管、极板和上述晶体组合起来，晶体同时受电场和磁场的作用，同时且独立地发生电光效应和磁光效应，经过晶体的偏振光在经过检偏器，呈现出一定的强度，研究光强、磁场和电场的关系，发现其图像是一个三维曲面，自由度为2，也就是说，确定光强、磁场和电场之中任意两个量，就可以求得第三个量。由于磁场与电流、电场与电压是一一对应关系，而光强需要严格处理和控制，不适宜作为待测量，所以一般选用电压补偿控制光强恒定来测定电流，或电流补偿控制光强恒定来测定电压。实验装置如图5。图 5 电光补偿型光学电流传感器实验装置示意图该装置可以测量直流电流、电压，交流电流、电压有效值和波形等电学量

12、，量程灵活，适宜多种情况下的测量。应当注意的是，测量交流电时，电光-磁光晶体需要尽量减小其矫顽力和损耗，选用软磁材料，以提高测量精度。2.5磁光金属非金属磁光晶体往往透光性较好，但Verdet常数较小，不适宜制作小型器件。后来人们发现某些金属也具有法拉第效应，但由于厚金属透光性太差，无法投入应用。研究发现，不透光的两种单负特异材料组合在一起可以产生光隧穿效应9，制成的器件可以透光。金属通常是电单负材料，全介质光子晶体通常是磁单负材料。Ag是一种透光率低但Verdet常数极大的磁光金属，为了利用Ag强大的磁光效应，研究提出了一种三明治膜结构，即一层Ag薄膜两侧匹配全介质光子晶体薄膜。这样不仅获得

13、了良好的透光性，还获得了很大的Verdet常数，纳米尺度的此种薄膜就可以产生45°法拉第转角10。这为磁光设备小型化提供了条件，有很好的研究和应用前景。3. 参考文献 1张溪文,董博,洪炜,娄骁,张守业,韩高荣.光隔离器及其相关的磁光材料J.材料科学与工程,2002(03):438-440.2周静,王选章,谢文广.磁光效应及其应用J.现代物理知识,2005(05):45-47.3高向东,李国华,萧振林,陈晓辉.焊接缺陷的磁光成像小波多尺度识别及分类J.光学精密工程,2016,24(04):930-936.4沈功田.中国无损检测与评价技术的进展J.无损检测,2008(11):787-793.5吴福全,许晓平,李国华.光学介质膜在短型格兰·汤普逊棱镜中的应用J.曲阜师范大学学报(自然科学版),1995(01):48-52.6 N. Yahya et al., "Synthesis and Characterization of Single Crystals Y3Fe5O12 and Bi3Fe5O12 Prepared via Sol Gel Technique", Defect and Diffusion Forum,